【C++】什么是模板?怎样使用模板?

简介: 【C++】什么是模板?怎样使用模板?

前言

在之前的学习中,我们可以利用函数重载实现一些“各种类型通用”的函数,比如交换函数swap,但这样一来代码的复用率很低并且他们仅仅是类型不同而已,每当有新的类型需求时,我们又需要增加新的函数,如何解决这一问题呢?


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1.函数模板

1.1函数模板概念

函数模板代表了一个函数家族,该函数模板与类型无关,在使用时被参数化,根据实参类型产生函数的特定类型版本。

1.2函数模板格式

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表){}

如:

template<typename T> //template、typename关键字
void Swap(T& left, T& right)
{
  T temp = left;
  left = right;
  right = temp;
}

注意:typename也是关键字,可以使用class,但不能使用struct


模板实质上只是编译器识别并产生特定具体类型函数的模具,也就是说是编译器替我们实现了具体的函数。


1.3函数模板的实例化

用不同类型的参数使用函数模板时,称为函数模板的实例化。

模板参数实例化分为:隐式实例化显式实例化

(1)隐式实例化:让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

请思考:会不会出现推演不出来的情况呢?

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
  return left + right;
}
int main()
{
  int a1 = 10, a2 = 20;
  double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
  Add(a1, a2);
  Add(d1, d2);
  /*
  该语句不能通过编译,因为在编译期间,当编译器看到该实例化时,需要推演其实参类型
  通过实参a1将T推演为int,通过实参d1将T推演为double类型,但模板参数列表中只有一个T,
  编译器无法确定此处到底该将T确定为int 或者 double类型而报错
  注意:在模板中,编译器一般不会进行类型转换操作,因为一旦转化出问题,编译器就需要背黑锅
  Add(a1, d1);
  */
  // 此时有两种处理方式:1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化
  Add(a, (int)d);
  return 0;
}

一定要避免出现歧义,要明确了解几个模板参数,几个推演的类型等,否则就会出现问题。


(2)显式实例化:在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

int main(void)
{
  int a = 10;
  double b = 20.0;
  // 显式实例化
  Add<int>(a, b);
    //若有两个模板参数就<int,double>
  return 0;
}

如果类型不匹配,编译器会尝试进行隐式类型转换,如果无法转换成功编译器将会报错。


1.4模板参数的匹配原则

非模板函数和同名的函数模板同时存在,应该调用哪个?

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
  return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T>
T Add(T left, T right)
{
  return left + right;
}
void Test()
{
  Add(1, 2); // 与非模板函数匹配,编译器不需要特化
  Add<int>(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
}

优先调用非模板函数,有现成的就用现成的 。

前面说过,模板实际上只是编译器帮我们生成了,那既然有现成的当然就用现成的咯。

另外如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数,那么就选择模板,有更合适的就用更合适的。  


模板函数不允许自动类型转换,但普通函数可以进行自动类型转换


2.类模板

2.1引入

在之前学习数据结构时,我们是利用typedef来确定该数据结构要存储的数据类型的,但这样有很明显的弊端,每有一种新的数据类型的需求,你就得新实现一个,这跟函数重载所遇到的尴尬是一样的,那函数是利用函数模板来解决,类就用类模板来解决好了。

2.2类模板格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
  // 类内成员定义
};

比如:

// 动态顺序表
// 注意:Vector不是具体的类,是编译器根据被实例化的类型生成具体类的模具
template<class T>
class Vector
{
public:
  Vector(size_t capacity = 10)
    : _pData(new T[capacity])
    , _size(0)
    , _capacity(capacity)
  {}
  // 使用析构函数演示:在类中声明,在类外定义。
  ~Vector();
  void PushBack(const T& data);
    void PopBack();
    // ...
    size_t Size() { return _size; }
  T& operator[](size_t pos)
  {
    assert(pos < _size);
    return _pData[pos];
  }
private:
  T* _pData;
  size_t _size;
  size_t _capacity;
};
// 注意:类模板中函数放在类外进行定义时,需要加模板参数列表
template <class T>
Vector<T>::~Vector()
{
  if (_pData)
    delete[] _pData;
  _size = _capacity = 0;
}

注意:声明定义放一个文件, 否则会报错


2.3类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同,类模板实例化需要在类模板名字后跟<>,然后将实例化的类型放在<>中即可,类模板名字不是真正的类,而实例化的结果才是真正的类。

// Vector类名,Vector<int>才是类型
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;

比如:

下面哪种构造的写法是对的?

  • Stack()
  • Stack<T>()

Stack()这种写法是对的,因为构造函数与类名相同,不是与类型相同。


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